评估海洋Li-ion电池储能系统中热失控所带来的风险——结合过往事故、现行指南及未来缓解措施
发布时间：2026-06-12 19:21:01 点击： 次
容量高达MWh的Li-ion电池正越来越多地运用于船只范畴，其中热失控（TR）事情引发的火灾、爆炸和毒性损害与其他运用比较呈现出共同且杂乱的问题。因而，为了对这些损害进行关键危险评价，本研讨剖析了过往事端。与水渗入和冷却液泄漏相关的短路是导致TR最首要的原因，而大多数TR事情终究引发了火灾或爆炸。针对电池体系、电池空间及电子体系展开了HAZID剖析。经过学习可搬运技能（来自汽车和固定储能范畴）以及未来技能，危险得到了明显下降。选用Bow-tie剖析来评价从电气乱用事情导致TR损害，以及从TR事情导致电池空间失效损害的威胁-结果路径上的屏障。剖析标明，如果电池TR导致电池空间失效，其结果将明显加重，或许导致才能彻底丧失、乘客面对危险以及整船丢失。需求对提出的改善办法进行进一步定量评价，以确认其在持续安全开发中下降损害的有效性。
事实上，自2010年以来，运用Li-ion BESS的船只数量添加明显，到2023年已超越800艘[4]。但是，考虑到2022年全球记录在案的商船近6万艘，以及无数的小型船只（如游艇和渔船），可以合理预见搭载BESS的船只数量将大幅添加[5]。根据船只类型——从小型拖船和游艇到大型重型运送船——其典型装机容量范围从数百千瓦时到兆瓦时不等[4]。现在，LIBs首要用于短距离（小于160公里）的运用场景[3]、[6]，而估计因为所需能量规模巨大，500公里至1000公里的航程将需求混合动力体系（联合循环燃气轮机或燃料电池）[7]、[8]。假设职业对LIBs的信心在可预见的未来会不断增强，那么应当认为MWh等级的安装运用将变得十分遍及。
尽管LIBs因其优异的功用特性而被广泛选用，但它们仍有或许发生稀有却极其危险的热失控（TR）进程，然后引发杂乱的火灾和爆炸危险。只要电压、电流和温度被充分约束在运转极限内，LIB就能坚持安全状况。电池办理体系（BMS）[9]担任处理前两者，而热办理体系（TMS）[10]则担任耗散由包含欧姆加热在内的不行逆反响所发生的热能。但是，在极少数情况下，因为乱用导致的多余热量或高温会经过一系列杂乱反响[11]，[12]，[13]引起电芯材料的放热化学分解。这会导致正反馈循环（见图1），发生大量热量并使温度升高，然后释放出易燃有毒气体、烟雾、火热火花、喷发火焰并引发爆炸[11]，[14]。跟着单个电芯失效，热量、火焰和短路或许导致相邻电芯也进入TR状况，这一进程被称为TR传达（TRP），终究导致模组TR、模组间TRP以及整个电池包和体系的彻底失效[15]。跟着电芯/模组/电池包各级失效的加重，发生的气体越多，避免进一步传达或扑灭火灾就越困难，因而其方针是将失效控制在最低等级。
在LIB动力船只中发生的TR事情相对较少（第3节将进一步评论），但是，与其它运用比较，电池集成到船只运用中更为杂乱，且TR的结果也更为严峻，因而这是船只范畴一个持续存在的安全问题[17]，[18]。关于集成方面，因为电池所处的共同运转条件（例如大容量、负载波动、在船上的方位）和环境条件（例如海水喷雾中的盐分、水分/湿度、电池舱空间与海洋环境之间的空气温度差异、巨大的日温差），TR的问题被进一步扩大[3]，[19]，[20]。考虑到TR的结果，因为海洋条件的严苛要求以及BESS被约束在船只内并与大众、船员及其他财物相邻，控制BESS空间的外部环境和完整性比同等规模的电网体系更令人忧虑[21]，[22]。在船上，如果BESS发生毛病，需求避免火灾蔓延至船只的其他部分，一起将排放的可燃/有毒气体引导远离人员。另一方面，电网体系一般远离人群，而且设有直接通向外部环境的防爆板，然后使爆燃不会导致进一步的火灾蔓延或对人员造成危险[23]。以往的事端已促进指导方针得到更新[24]，但仍需对Li的危险进行进一步剖析。
本研讨旨在全面说明TR在船只运用中的共同损害。基于电池规划和TR行为的基础理论，本研讨剖析了船只电池事端（第3节）和法规（第4节），以确认最令人忧虑的安全方面，并针对这些方面展开专门面向船只运用的Li-ion BESS的深入危险评价。本研讨初次将可搬运技能和未来技能作为下降危险的办法予以考虑。现在已开发或正在开发多种办法来下降LIBs发生热失控的危险。这些办法可所以简略的，例如定期检查以评价电池健康状况、辨认产气迹象或可用容量下降，以及选用机架结构以便轻松拆卸和快速更换带有模块级BMSs的LIB模块。它们也可所以更先进的技能，包含BESS的所有层面，包含BMS的发展、机器学习的集成、数字孪生或智能运维、电芯排列方式、电芯化学体系、热办理技能、气体传感器、温度传感器以及火灾探测与灭火体系。其中，要点重视的是可搬运且挨近市场化的技能。特定技能在下降具体损害方面的优势将在危险评价（第5节）中评论，而关于这些技能的补充信息则供给在补充材料中。
经过这项危险评价，探讨了技能和工艺的前进，一起评价了防备和缓解屏障，以确认关键改善范畴，然后进步海洋BESS的安全性。需求留意的是，虽然经过船只运送LIBs及含有LIBs的产品也是一个安全问题[25]，但这并非本研讨的要点。
危险评价技能有多种形式，包含Event Tree Analysis (ETA)、Fault Tree Analysis (FTA)、Failure Mode Effect Analysis (FMEA)、Hazards Identification (HAZID)以及Hazards and Operability (HAZOP) [26]。当失效频率数据不行用时，半定量HAZID和定性FEMA十分有用。HAZID运用宽泛的类别来定义频率和严峻程度，不需求准确的定量数据，然后可以确认每项危险的相对排名和重要性 [27]。因为这些原因，考虑到海洋BESS的失效频率数据一般不行用 [28]，HAZID和FEMA此前已被用于评价海洋BESS [28], [29], [30]。
这些从前危险评价的首要发现包含：
对BESS危险的整体剖析标明，经过在船只运营商和制作商之间同享不同BESS及其缓解办法的信息，可以前进安全性，然后在事端发生前获取有关不同体系配置的常识[32]。此外，船员对BESS和LIB火灾行为的了解会影响他们处理LIB火灾事情的才能。电气乱用、碰撞和冷却办法已被强调为海洋BESS的首要危险[33]。要点被放在了导致过充放电的BMS毛病或电池单元毛病上，而非其他电气乱用。研讨船只碰撞十分杂乱，必须考虑电池舱的结构（例如间距和刚度）、电池舱的方位（例如水线以上/以下、船尾/船首/中段）以及碰撞的性质（速度和角度）。
在本研讨中，对用于船只运用的Li-ion BESSs进行了全面的危险评价，以确认前进该范畴安全性的办法。首先，概述了船只电池体系（第2节），以说明此类运用中电池面对的共同挑战。在此基础上，我们将学习现有的危险剖析成果，结合以往船只BESS事端的调查结果（第3节）以及当前的船只法规（第4节）。因为在频率数据有限的情况下HAZID具有优势，且bow-tie剖析可以处理现在对船只BESS失效从原因到结果之间路径缺乏研讨的问题，我们将展开HAZID和bow-tie剖析（第5节）。HAZID剖析将考虑三个首要体系节点的损害：电池体系、电池空间和电子体系。此外，它还将考虑这些体系节点的组成部件及其相应的损害，明确指出其对各自体系节点以及整个电池体系和船只的影响。经过事端剖析（第3节），辨认出两个关键的顶层事情（电气乱用和电池空间失效），并将其选定用于bow-tie评价。以此为基础，本研讨的方针是在当前指南下剖析相关损害，然后确认最重要范畴并提出改善的危险下降办法。
导言
到2050年实现净零排放的方针，以保证全球变暖不超越《巴黎协议》所规则的1.5°C，正在推动交通电气化的遍及，因为此类体系具有更高的运转效率并允许利用可再生能源[1]。人们特别重视在包含汽车和固定式储能范畴在内的许多运用中运用Li-ion电池（LIB）技能，因为它具有高能量密度和功率密度、高循环稳定性、高工作电压且无回忆效应。因而，Li-ion电池储能体系（BESSs）在削减排放的一起，为前进船只响应才能和运转功用供给了巨大潜力[2]，[3]。需求留意的是，“BESS”一词用于描述或许选用铅酸、镍镉、锂离子或其他化学体系的任何电池储能体系，而Li-ion BESSs则专门选用锂离子电芯。此外，BESS是指储能组件和辅助体系（见第2节），而LIB则特指锂离子储能组件。事实上，自2010年以来，运用Li-ion BESS的船只数量添加明显，到2023年已超越800艘[4]。但是，考虑到2022年全球记录在案的商船近6万艘，以及无数的小型船只（如游艇和渔船），可以合理预见搭载BESS的船只数量将大幅添加[5]。根据船只类型——从小型拖船和游艇到大型重型运送船——其典型装机容量范围从数百千瓦时到兆瓦时不等[4]。现在，LIBs首要用于短距离（小于160公里）的运用场景[3]、[6]，而估计因为所需能量规模巨大，500公里至1000公里的航程将需求混合动力体系（联合循环燃气轮机或燃料电池）[7]、[8]。假设职业对LIBs的信心在可预见的未来会不断增强，那么应当认为MWh等级的安装运用将变得十分遍及。
尽管LIBs因其优异的功用特性而被广泛选用，但它们仍有或许发生稀有却极其危险的热失控（TR）进程，然后引发杂乱的火灾和爆炸危险。只要电压、电流和温度被充分约束在运转极限内，LIB就能坚持安全状况。电池办理体系（BMS）[9]担任处理前两者，而热办理体系（TMS）[10]则担任耗散由包含欧姆加热在内的不行逆反响所发生的热能。但是，在极少数情况下，因为乱用导致的多余热量或高温会经过一系列杂乱反响[11]，[12]，[13]引起电芯材料的放热化学分解。这会导致正反馈循环（见图1），发生大量热量并使温度升高，然后释放出易燃有毒气体、烟雾、火热火花、喷发火焰并引发爆炸[11]，[14]。跟着单个电芯失效，热量、火焰和短路或许导致相邻电芯也进入TR状况，这一进程被称为TR传达（TRP），终究导致模组TR、模组间TRP以及整个电池包和体系的彻底失效[15]。跟着电芯/模组/电池包各级失效的加重，发生的气体越多，避免进一步传达或扑灭火灾就越困难，因而其方针是将失效控制在最低等级。
在LIB动力船只中发生的TR事情相对较少（第3节将进一步评论），但是，与其它运用比较，电池集成到船只运用中更为杂乱，且TR的结果也更为严峻，因而这是船只范畴一个持续存在的安全问题[17]，[18]。关于集成方面，因为电池所处的共同运转条件（例如大容量、负载波动、在船上的方位）和环境条件（例如海水喷雾中的盐分、水分/湿度、电池舱空间与海洋环境之间的空气温度差异、巨大的日温差），TR的问题被进一步扩大[3]，[19]，[20]。考虑到TR的结果，因为海洋条件的严苛要求以及BESS被约束在船只内并与大众、船员及其他财物相邻，控制BESS空间的外部环境和完整性比同等规模的电网体系更令人忧虑[21]，[22]。在船上，如果BESS发生毛病，需求避免火灾蔓延至船只的其他部分，一起将排放的可燃/有毒气体引导远离人员。另一方面，电网体系一般远离人群，而且设有直接通向外部环境的防爆板，然后使爆燃不会导致进一步的火灾蔓延或对人员造成危险[23]。以往的事端已促进指导方针得到更新[24]，但仍需对Li的危险进行进一步剖析。
本研讨旨在全面说明TR在船只运用中的共同损害。基于电池规划和TR行为的基础理论，本研讨剖析了船只电池事端（第3节）和法规（第4节），以确认最令人忧虑的安全方面，并针对这些方面展开专门面向船只运用的Li-ion BESS的深入危险评价。本研讨初次将可搬运技能和未来技能作为下降危险的办法予以考虑。现在已开发或正在开发多种办法来下降LIBs发生热失控的危险。这些办法可所以简略的，例如定期检查以评价电池健康状况、辨认产气迹象或可用容量下降，以及选用机架结构以便轻松拆卸和快速更换带有模块级BMSs的LIB模块。它们也可所以更先进的技能，包含BESS的所有层面，包含BMS的发展、机器学习的集成、数字孪生或智能运维、电芯排列方式、电芯化学体系、热办理技能、气体传感器、温度传感器以及火灾探测与灭火体系。其中，要点重视的是可搬运且挨近市场化的技能。特定技能在下降具体损害方面的优势将在危险评价（第5节）中评论，而关于这些技能的补充信息则供给在补充材料中。
经过这项危险评价，探讨了技能和工艺的前进，一起评价了防备和缓解屏障，以确认关键改善范畴，然后进步海洋BESS的安全性。需求留意的是，虽然经过船只运送LIBs及含有LIBs的产品也是一个安全问题[25]，但这并非本研讨的要点。
危险评价技能有多种形式，包含Event Tree Analysis (ETA)、Fault Tree Analysis (FTA)、Failure Mode Effect Analysis (FMEA)、Hazards Identification (HAZID)以及Hazards and Operability (HAZOP) [26]。当失效频率数据不行用时，半定量HAZID和定性FEMA十分有用。HAZID运用宽泛的类别来定义频率和严峻程度，不需求准确的定量数据，然后可以确认每项危险的相对排名和重要性 [27]。因为这些原因，考虑到海洋BESS的失效频率数据一般不行用 [28]，HAZID和FEMA此前已被用于评价海洋BESS [28], [29], [30]。
这些从前危险评价的首要发现包含：
- (1)
该评价中关于毛病原因及结果的细节较少。但是，受检船只与普通渡轮一样安全，且电池办理体系（BMS）并未引发对事端频率升高的忧虑[29]。 - (2)
蔓延和火灾会明显添加危险，因而必须尽量削减模块间的火势蔓延，且通风体系必须可以处理不少于一个模块的off-gas。冗余BMS关于确坚持续监测至关重要，而且需求具备紧迫电池（模块）断开功用，以在电气乱用情况下最大限度地削减多个模块失效。减轻爆炸和毒性是最低要求，前提是所有其他屏障均按预期发挥作用。一起留意到，在考虑电池单元质量保证的安全性和拟定TR测验程序及检验标准方面存在常识空白[30]。 - (3)
体系性的可靠性中心维护有助于下降包含电池相关危险在内的各类损害[31]。除电芯层面外，剖析还应考虑电芯和体系层面的规划防护办法、制作缺点的遍及性（如果已知），以及避免乱用的程序和防护办法（安装前、运转期间及退役阶段）[28]。此外，对TR影响的剖析应考虑级联失效、火灾和毒性损害。
对BESS危险的整体剖析标明，经过在船只运营商和制作商之间同享不同BESS及其缓解办法的信息，可以前进安全性，然后在事端发生前获取有关不同体系配置的常识[32]。此外，船员对BESS和LIB火灾行为的了解会影响他们处理LIB火灾事情的才能。电气乱用、碰撞和冷却办法已被强调为海洋BESS的首要危险[33]。要点被放在了导致过充放电的BMS毛病或电池单元毛病上，而非其他电气乱用。研讨船只碰撞十分杂乱，必须考虑电池舱的结构（例如间距和刚度）、电池舱的方位（例如水线以上/以下、船尾/船首/中段）以及碰撞的性质（速度和角度）。
在本研讨中，对用于船只运用的Li-ion BESSs进行了全面的危险评价，以确认前进该范畴安全性的办法。首先，概述了船只电池体系（第2节），以说明此类运用中电池面对的共同挑战。在此基础上，我们将学习现有的危险剖析成果，结合以往船只BESS事端的调查结果（第3节）以及当前的船只法规（第4节）。因为在频率数据有限的情况下HAZID具有优势，且bow-tie剖析可以处理现在对船只BESS失效从原因到结果之间路径缺乏研讨的问题，我们将展开HAZID和bow-tie剖析（第5节）。HAZID剖析将考虑三个首要体系节点的损害：电池体系、电池空间和电子体系。此外，它还将考虑这些体系节点的组成部件及其相应的损害，明确指出其对各自体系节点以及整个电池体系和船只的影响。经过事端剖析（第3节），辨认出两个关键的顶层事情（电气乱用和电池空间失效），并将其选定用于bow-tie评价。以此为基础，本研讨的方针是在当前指南下剖析相关损害，然后确认最重要范畴并提出改善的危险下降办法。